KR102094551B1 - Resistance-change memory device and method of operating the same - Google Patents
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Abstract
비트선과, 전압 공급층과, 상기 비트선과 상기 전압 공급층의 사이에 접속되고, 인가 전압에 응하여 저항치가 변화하는 기억 소자와, 상기 비트선에 제 1 전류를 흘리고, 그 후, 상기 제 1 전류보다 작은 제 2 전류를 상기 비트선에 흘려서, 상기 기억 소자를 고저항 상태로부터 저저항 상태로 천이시키는 저저항화를 상기 제 2 전류로 제어하는 구동 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스가 개시된다.A memory element that is connected between the bit line, the voltage supply layer, and the bit line and the voltage supply layer, and whose resistance value changes in response to an applied voltage, and a first current flows through the bit line, and thereafter, the first current And a drive control circuit for controlling a lower resistance, which causes the memory element to transition from a high resistance state to a low resistance state with the second current by passing a smaller second current through the bit line. The device is started.
Description
본 발명은, 인가 전압에 따라 저항치가 변화하는 기억 소자를 비트선과, 소스선 또는 플레이트라고 불리는 전압 공급층의 사이에 접속시키고 있는 저항변화형 메모리 디바이스, 및, 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resistance change type memory device that connects a memory element whose resistance value changes according to an applied voltage between a bit line and a voltage supply layer called a source line or plate, and an operation method thereof.
도전성 이온을 절연막에 주입하거나, 또는, 절연막으로부터 도전성 이온을 인발(draw out; 引拔)함에 의해 저항치가 변화하는 기억 소자를 메모리 셀마다 갖는 저항변화형 메모리 디바이스가 알려져 있다(예를 들면, "A Novel Resistance Memory with High Scalability and Nanosecond Switching" K. Aratani, K. Ohba, T. Mizuguchi, S. Yasuda, T. Shiimoto, T. Tsushima, T. Sone, K. Endo, A. Kouchiyama, S. Sasaki, A. Maesaka, N. Yamada, and H. Narisawa, Technical Digest IEDM 2007, pp. 783-786. 참조(이하, 비특허문헌1이라 함)).A resistance-changeable memory device having a memory element whose resistance value changes for each memory cell by implanting conductive ions into the insulating film or by drawing out conductive ions from the insulating film is known (for example, " A Novel Resistance Memory with High Scalability and Nanosecond Switching "K. Aratani, K. Ohba, T. Mizuguchi, S. Yasuda, T. Shiimoto, T. Tsushima, T. Sone, K. Endo, A. Kouchiyama, S. Sasaki , A. Maesaka, N. Yamada, and H. Narisawa, Technical Digest IEDM 2007, pp. 783-786. (Hereinafter referred to as Non-Patent Document 1)).
기억 소자는, 2개의 전극 사이에 상기 도전성 이온의 공급층과 절연막으로 형성한 적층 구조를 갖는다. 메모리 셀은, 기억 소자와 액세스 트랜지스터를 액티브 매트릭스 구동 가능하게 비트선과 플레이트 사이에 직렬 접속시켜서 구성되어 있다.The memory element has a stacked structure formed of a supply layer of the conductive ions and an insulating film between two electrodes. The memory cell is configured by connecting a storage element and an access transistor in series between a bit line and a plate to enable active matrix driving.
이와 같은 메모리 셀은, 하나의 트랜지스터(T)와 하나의 (가변)저항(R)을 갖기 때문에 1T1R형의 전류 구동 방식 메모리의 일종이다. 이 도전성 이온을 이용한 메모리는, 절연층의 산화, 환원을 이용한 메모리와 함께, 일반적으로, ReRAM이라고 널리 불리고 있다.Since such a memory cell has one transistor T and one (variable) resistor R, it is a type of 1T1R type current-driven memory. The memory using the conductive ions is widely referred to as ReRAM in general, along with a memory using oxidation and reduction of an insulating layer.
ReRAM에서는, 저항치의 대소를 데이터의 기록과 소거에 대응시켜서, 나노초 크기의 짧은 지속 시간의 펄스로 기록이나 소거의 동작이 가능하다. 그 때문에, ReRAM은, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 수준으로 고속 동작이 가능한 불휘발성 메모리(NVM)로서 주목을 받고 있다.In ReRAM, the size of the resistance value is corresponded to the writing and erasing of data, so that a write or erase operation is possible with a short duration pulse of nanosecond size. Therefore, ReRAM has attracted attention as a nonvolatile memory (NVM) capable of high-speed operation at a random access memory (RAM) level.
도 1에, 도전성 이온을 이용한 메모리(ReRAM)의 저(抵)저항 상태에서의 컨덕턴스와 전류와의 상관도를 도시한다.Fig. 1 shows a correlation diagram of conductance and current in a low resistance state of a memory (ReRAM) using conductive ions.
도 1의 횡축은, 저저항 상태(LRS)의 저항치(RLRS)의 역수(컨덕턴스)를 나타내고 있다. 또한, 도 1의 종축은, 저저항화 동작(여기서는 세트 동작이라고 부른다)에서의 세트 전류(Iset)의 값을 나타내고 있다.The horizontal axis in Fig. 1 represents the reciprocal (conductance) of the resistance value RLRS in the low resistance state LRS. In addition, the vertical axis in FIG. 1 represents the value of the set current Iset in the low-resistance operation (herein referred to as a set operation).
도 1로부터 분명한 바와 같이, 기억 소자의 저항치는, 세트 전류에 응하여 거의 리니어하게 변화한다. 이와 같은 특성은, 다른 ReRAM 등의 저항변화형의 메모리에서도 마찬가지로 실현 가능하다.As is apparent from Fig. 1, the resistance value of the storage element changes almost linearly in response to the set current. Such characteristics can be realized in other resistance-change-type memories such as ReRAM.
이상에 의해, ReRAM은, 전류 제어를 정밀하게 행함으로써 저항치 분포를 좁게 하고, 또는 다치(多値) 메모리의 실현이 가능하다는 이점을 갖는다.As described above, ReRAM has the advantage of narrowing the resistance value distribution or realizing a multi-value memory by precisely controlling the current.
그러나, 그 한편으로, 전류 제어의 정밀도가 낮으면, 소망하는 저항치를 얻기 어렵고, 특히 과잉한 전류 인가에 의해, 고저항화(리셋) 동작이 하기 어렵게 되고, 또는, 반복 특성이 저하된다는 불이익도 아울러서 갖고 있다.On the other hand, however, if the precision of current control is low, it is difficult to obtain a desired resistance value, and particularly, the application of excessive current makes it difficult to perform a high-resistance (reset) operation, or the disadvantage that repetitive characteristics are lowered. I also have it.
소자 전류의 제어를 행하는 방식으로서는, 액세스 트랜지스터의 게이트 전위 제어(워드선 제어)로 소자 전류를 규제하는 방식과, 비트선의 전류를 제어하는 방식이 알려져 있다.As a method of controlling the element current, a method of regulating the element current by gate potential control (word line control) of the access transistor and a method of controlling the current of the bit line are known.
이 중, 워드선은 게이트 메탈로 형성되고, 큰 게이트 용량을 다수, 기생 용량으로서 포함하기 때문에 배선 용량이 크고 제어하기 어렵기 때문에, 고속 구동이 곤란하다. 또한, 고속 동작시키려고 하면 워드선의 제어 회로의 구동력을 크게 할 필요 때문에, 회로 면적이 증대하고 비용 증가를 초래할 우려가 있다.Of these, the word line is formed of a gate metal, and since a large gate capacitance is included as a large number of parasitic capacitances, the wiring capacity is large and difficult to control, so high-speed driving is difficult. In addition, when trying to operate at high speed, since it is necessary to increase the driving force of the word line control circuit, there is a fear that the circuit area increases and costs increase.
이에 대해, 비트선은 상층 배선층에서 형성되고, 비교적 배선 용량이 작아서, 제어가 용이하기 때문에, 비트선을 이용한 전류 제어 방식에서는 고속 동작이 가능하다. 또한, 비트선의 전류 제어는 회로 면적을 억제할 수 있고, 이 점에서 비용화가 가능하다. 따라서, 비트선의 전류 제어 방식의 채용에 의해 저비용과 고속성을 양립하는 것이 가능하다.On the other hand, since the bit line is formed in the upper wiring layer, and the wiring capacity is relatively small, so that it is easy to control, high-speed operation is possible in the current control method using the bit line. In addition, the current control of the bit line can suppress the circuit area, and it is possible to reduce the cost in this regard. Therefore, it is possible to achieve both low cost and high speed by adopting the current control method of the bit line.
비트선의 전류 제어로 소자 전류를 규제하는 방식은, 비트선, 워드선 이외에 소스선도 행방향으로 분리하여 전위 구동 가능하게 할 필요가 있다. 그 의미에서 당해 전류 제어법이 적용되는 방식(또는 액세스 방식)을, 3선식(線式)이라고 한다.In the method of regulating the element current by controlling the current of the bit line, it is necessary to separate the source line in addition to the bit line and word line in the row direction so that potential driving is possible. In that sense, the method (or access method) to which the current control method is applied is referred to as a three-wire system.
3선식에서 비트선의 전류 제어에 관해, 본원 발명자는, 이미 몇가지의 제안을 행하고 있다(예를 들면, 일본 특개2010-170617호 공보 참조). 또한, 이 전류 제어 방식을 스핀 주입 방식의 저항변화형 메모리에 적용된 예가, 예를 들면, 일본 재공표(再公表) 특허 제WO2007/015358호 공보에 개시되어 있다.With regard to the current control of the bit line in the 3-wire system, the inventor of the present application has already made several proposals (for example, see Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-170617). In addition, an example in which this current control method is applied to a resistive change type memory of a spin injection method is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. WO2007 / 015358.
또한, 비특허문헌1은, 가공 용이성을 위해 상부 전극을 플레이트형상으로 가공하고, 액세스 트랜지스터의 드레인을 기억 노드로 하고, 소스를 라인형상으로 가공한 비트선에 접속하고 있는 어레이 구성을 갖는다. 비트선과 워드선의 2선에 의해, 하나의 메모리 셀이 선택되는 방식(2선식)이다.Further, Non-Patent
일본 특개2010-170617호 공보에 기재된 전류 제어를 행하는 방식에서는, 예를 들면, 전류 제어 트랜지스터(NMOS 트랜지스터)의 드레인이 비트선에 접속되고, 그 게이트 전압이 제어 회로에 의해 제어된다. 이 제어에서는, 기억 소자의 저저항화 상태로의 반전 이후, 제어 회로가 전류 제어 트랜지스터를 제어하고, 이에 의해, 액세스 트랜지스터를 포화 영역에서 동작시키고, 또한 소자 전류가 일정하게 되도록 비트선 전위가 제어된다. 이 때문에, 기억 소자의 저항치가 변화하여도, 또는 기억 소자의 편차가 존재하여도, 세트 전류(반전 이후의 소자 전류)가 일정하게 되고, 과잉 전류가 흐르지 않기 때문에 소자 특성의 저하가 유효하게 방지 또는 억제된다.In the method of performing current control described in JP 2010-170617 A, for example, the drain of the current control transistor (NMOS transistor) is connected to the bit line, and the gate voltage is controlled by the control circuit. In this control, after the inversion of the storage element to the low resistance state, the control circuit controls the current control transistor, thereby operating the access transistor in the saturation region, and controlling the bit line potential so that the element current becomes constant. do. For this reason, even if the resistance value of the storage element changes, or even if there is a variation in the storage element, the set current (element current after inversion) becomes constant, and since excessive current does not flow, deterioration of the element characteristics is effectively prevented. Or is suppressed.
그러나, 상기 비특허문헌1과 같이 가공성 용이성을 중시한 2선식의 메모리는, 플레이트의 전류 제어는 불가능하기 때문에, 비트선에 대해 상기 전류 제어 방식의 적용이 필수가 된다. 또한, 플레이트에 대신하여 메모리 셀 열마다 분리된 소스선을 갖는 3선식에서도, 어떠한 이유로 비트선에 대해 전류 제어 방식을 적용하는 경우가 있다.However, as in the
이 전류 제어 방식에 의해, 저항 변화 후의 저항 분포의 편차를 억제할 수 있다. 또한, 이 방식은, 워드선 제어 방식에 비하여 구동 능력이 낮아도 되기 때문에 제어 회로의 전유(專有) 면적이 작고, 이 때문에 저비용이라는 이점이 있다.By this current control method, it is possible to suppress variations in resistance distribution after a change in resistance. In addition, this system has an advantage that the driving area may be lower than that of the word line control system, so that the total area of the control circuit is small, and therefore, it is low cost.
보다 상세하게는, 기억 소자의 저저항화 동작에서는, 플레이트 또는 소스선을 일정한 전위로 고정한 상태에서, 비트선의 전위를 당해 일정한 전위로부터 변화시켜서, 기억 소자에 소자 전류를 흘리기 위해 전압 인가를 행한다.More specifically, in the low-resistance operation of the storage element, in the state where the plate or source line is fixed at a constant potential, the potential of the bit line is changed from the constant potential, and voltage is applied to flow the device current to the storage element.
그러나, 비트선의 전류는 기억 소자에의 과잉한 전류 인가를 방지하기 위해 규제되기 때문에, 급격한 비트선 전위 변화를 할 수가 없다. 그 때문에, 비트선의 배선 용량이 워드선에 비하여 작음에 의해 본래, 고속으로 할 수 있는 동작 속도를, 충분히 높게 할 수가 없다.However, since the current of the bit line is regulated to prevent excessive application of current to the storage element, it is impossible to change the bit line potential abruptly. For this reason, since the wiring capacity of the bit line is smaller than that of the word line, it is not possible to sufficiently increase the operating speed that can be naturally high-speed.
본 발명은, 비트선의 전위를 변화시켜서 저저항화 동작을 시작하고, 비트선의 전류 제어를 행하는 저항변화형 메모리 디바이스와, 그 동작 방법에 있어서, 더욱 고속성을 향상시키는 기술을 개시하는 것이다.The present invention discloses a resistance-changeable memory device that starts a low-resistance operation by changing the potential of a bit line and performs current control of the bit line, and a technique for further improving high-speed in the operation method.
본 발명에 관한 저항변화형 메모리 디바이스는, 비트선과, 전압 공급층과, 기억 소자와, 구동 제어 회로를 갖는다.The resistance changeable memory device according to the present invention has a bit line, a voltage supply layer, a memory element, and a drive control circuit.
상기 기억 소자는, 상기 비트선과 상기 전압 공급층의 사이에 접속되고, 인가 전압에 응하여 저항치가 변화한다.The memory element is connected between the bit line and the voltage supply layer, and the resistance value changes in response to the applied voltage.
상기 구동 제어 회로는, 상기 비트선에 제 1 전류를 흘리고, 그 후, 상기 제 1 전류보다 작은 제 2 전류를 상기 비트선에 흘리고, 상기 기억 소자를 고저항 상태로부터 저저항 상태로 천이시키는 저저항화를 상기 제 2 전류로 제어한다.The drive control circuit flows a first current through the bit line, and then flows a second current smaller than the first current through the bit line, and transitions the memory element from a high resistance state to a low resistance state. Resistance is controlled by the second current.
본 발명에 관한 저항변화형 메모리 디바이스의 동작 방법은, 비트선과, 전압 공급층의 사이에 접속되고, 인가 전압에 응하여 저항치가 변화하는 기억 소자를 고저항 상태로부터 저저항 상태로 천이시키는 저저항화에 즈음하여, 상기 비트선에 제 1 전류를 흘리고, 상기 제 1 전류보다 작은 제 2 전류를 상기 비트선에 흘려서, 상기 기억 소자의 저저항화를 제어한다.The operation method of the resistance change type memory device according to the present invention is a low resistance which is connected between a bit line and a voltage supply layer, and changes a memory element whose resistance value changes in response to an applied voltage from a high resistance state to a low resistance state. Around this time, a first current is passed through the bit line, and a second current smaller than the first current is passed through the bit line, thereby controlling the resistance reduction of the memory element.
상기 구성에 의하면, 저저항화 동작의 초기에서는 비트선을, 보다 큰 제 1 전류로 구동한다. 이대로 제 1 전류를 계속 흘리면, 상기한 기억 소자에의 과잉한 전류 인가가 된다. 이 때문에, 본 기술에서는, 비트선에 흘리는 전류를 제 1 전류로부터, 보다 작은 제 2 전류로 전환한다. 그리고, 기억 소자에 흐르는 소자 전류의 제어를, 비트선에 흘리는 제 2 전류에 의해 행한다. 따라서 예를 들면, 기억 소자에 편차가 있어도 소망하는 전류가 흐르도록 비트선의 전위가 제어된다.According to the above structure, in the initial stage of the low resistance operation, the bit line is driven with a larger first current. If the first current continues to flow as described above, excess current is applied to the above-described memory element. For this reason, in the present technology, the current flowing through the bit line is switched from the first current to the smaller second current. Then, control of the element current flowing through the storage element is performed by the second current flowing through the bit line. Therefore, for example, the potential of the bit line is controlled so that the desired current flows even if there is a deviation in the storage element.
본 발명이 적용되지 않는 경우, 전류의 전환을 행하는 일 없이 비트선의 전류 제어를 행하기 때문에, 어느 정도 억제된 전류치가 되고, 비트선의 전위 변화에 시간이 걸린다.When the present invention is not applied, since the current control of the bit line is performed without switching the current, the current value is suppressed to some extent, and the potential change of the bit line takes time.
이에 대해, 본 기술에서는, 동작 초기에 제 1 전류에 의해 급속한 비트선 전위 변화를 달성하고, 보다 작은 제 2 전류로 최종적인 전류 제어를 행한다. 기억 소자에의 전류 스트레스는, 예를 들면, 제 1 전류와 제 2 전류의 각 전류치와, 그들을 흘리는 시간에 의존한다. 그러나, 전류 제어는 소자 편차를 흡수하여 소망하는 저항치를 얻기 위해 행하는 것이고, 이 목적은 최종적인 제 2 전류의 제어로 충분히 달성할 수 있다. 본 기술에서는, 이 높은 제어성은 유지되는 것에 더하여, 동작 초기에 비트선 전위 변화를 급속하게 행하기 때문에, 토탈 전류 인가 시간이 단축된다.In contrast, in the present technology, rapid bit line potential change is achieved by the first current at the beginning of operation, and final current control is performed with a smaller second current. The current stress to the storage element depends on, for example, the respective current values of the first current and the second current, and the time for passing them. However, the current control is performed to absorb the device deviation to obtain a desired resistance value, and this object can be sufficiently achieved by controlling the final second current. In this technique, in addition to maintaining this high controllability, since the bit line potential change is rapidly performed at the beginning of operation, the total current application time is shortened.
본 발명에 의하면, 비트선의 전위를 변화시켜서 저저항화 동작을 시작하고, 비트선의 전류 제어를 행하는 저항변화형 메모리 디바이스와, 그 동작 방법에 있어서, 더욱 고속성이 향상한다.ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the resistance change type memory device which starts a low-resistance operation by changing the potential of a bit line and performs current control of a bit line, and its operation method further improves high speed.
도 1은 도전성 이온을 이용한 메모리(ReRAM)의 저저항 상태에서의 컨덕턴스와 전류와의 상관도.
도 2의 A 및 B는, 각각, 기록 전류의 경우에서의 메모리 셀의 등가 회로도와, 소거 전류의 경우에서의 메모리 셀의 등가 회로도.
도 3은 인접하는 2개의 메모리 셀의 디바이스 구조를 나타내는 개략도.
도 4의 A 및 B는, 각각, 가변 저항 소자를 부하로 하는 액세스 트랜지스터의 저항이 감소된 경우에서의 부하 곡선과, 가변 저항 소자를 부하로 하는 액세스 트랜지스터의 저항이 증가된 경우에서의 부하 곡선을 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명의 제 1의 실시 형태에 따른 저항 변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 6의 A 내지 I는 본 발명의 제 1의 실시 형태에 따른 저항변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성의 동작 파형도.
도 7의 A 및 B는 각각 세트 동작을 설명하는 회로도 및 그래프.
도 8은 저항 변화형 메모리 디바이스의 전체 구성을 부분적으로 블록으로 도시하는 회로도.
도 9는 본 발명의 제 2의 실시 형태에 따른 저항변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 10은 본 발명의 제 3의 실시 형태에 다른 저항변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 11의 A 내지 I는, 각각, 본 발명의 제 3의 실시 형태에 따른 저항변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성의 동작을 설명하는 파형도.
도 12는 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 저항변화형 메모리 디바이스의 칼럼 회로 구성을 도시하는 회로도.1 is a correlation diagram of conductance and current in a low resistance state of a memory (ReRAM) using conductive ions.
2A and 2B are equivalent circuit diagrams of memory cells in the case of write current, and equivalent circuit diagrams of memory cells in the case of erase current, respectively.
3 is a schematic diagram showing a device structure of two adjacent memory cells.
4A and 4B, load curves when the resistance of the access transistor using the variable resistance element is reduced, and load curves when the resistance of the access transistor using the variable resistance element is increased, respectively. Graph showing.
Fig. 5 is a circuit diagram showing a column circuit configuration of a resistance-variable memory device according to the first embodiment of the present invention.
6A to 6B are operational waveform diagrams of the column circuit configuration of the resistance change type memory device according to the first embodiment of the present invention.
A and B in Fig. 7 are circuit diagrams and graphs respectively explaining the set operation.
Fig. 8 is a circuit diagram partially showing the entire configuration of the resistance-variable memory device in blocks.
9 is a circuit diagram showing a column circuit configuration of a resistance change type memory device according to a second embodiment of the present invention.
Fig. 10 is a circuit diagram showing a column circuit configuration of a resistance change type memory device according to a third embodiment of the present invention.
11A to 11B are waveform diagrams for explaining the operation of the column circuit configuration of the resistance change type memory device according to the third embodiment of the present invention, respectively.
Fig. 12 is a circuit diagram showing a column circuit configuration of a resistance change type memory device according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 실시 형태를, 도전성 이온의 이동에 의해 저항 변화하는 메모리 디바이스를 예로 하여, 도면을 참조하여 설명한다.An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, taking as an example a memory device whose resistance changes by the movement of conductive ions.
이하, 다음 순서로 설명을 행한다.Hereinafter, description is given in the following order.
1. 제 1의 실시의 형태 : 저저항화 동작에서, 그 시작을, 비트선 전위를 내려서, 비트선으로부터 전류를 빼고서 행하는 예. 저저항화 동작의 시작시에 비트선에 흘리는 전류를, 병렬의 2개의 트랜지스터로 제 1 전류로부터 제 2 전류로 전환하는 구성을 개시한다.1. First embodiment: An example in which the start of the low-resistance operation is performed by lowering the bit line potential and subtracting the current from the bit line. Disclosed is a configuration in which a current flowing through a bit line at the start of a low-resistance operation is switched from a first current to a second current by two transistors in parallel.
2. 제 2의 실시의 형태 : 제 1과 마찬가지로 비트선 전류를 인발하는 경우에, 하나의 트랜지스터로 전류의 전환를 행하는 예.2. Second Embodiment: In the case of drawing a bit line current as in the first, an example in which the current is switched with one transistor.
3. 제 3의 실시의 형태 : 저저항화 동작에서, 그 시작을, 비트선 전위를 올려서, 비트선에 전류를 공급함으로써 행하는 예.3. Third embodiment: An example in which the start of a low resistance operation is performed by raising the bit line potential and supplying current to the bit line.
4. 제 4의 실시의 형태 : 액세스 트랜지스터를 P형으로 하는 예.4. Fourth embodiment: Example of making the access transistor P-type.
5. 변형예
5. Modifications
<1. 제 1의 실시의 형태><1. First embodiment>
[메모리 셀 구성][Memory cell configuration]
도 2의 A와 B에, 본 실시 형태에 공통되는 메모리 셀의 등가 회로도를 도시한다. 그리고, 도 2의 A는 기록 전류, B는 소거 전류에 관해, 그 방향을 나타내지만, 메모리 셀 구성 자체는 양 도면에서 공통된다.2A and 2B show equivalent circuit diagrams of memory cells common to the present embodiment. In addition, A in FIG. 2 indicates the direction in relation to write current and B in erase current, but the memory cell configuration itself is common in both figures.
도 1에 도해하는 메모리 셀(MC)은, 「기억 소자」로서의 하나의 가변 저항 소자(Re)와, 하나의 액세스 트랜지스터(AT)를 갖는다.The memory cell MC illustrated in FIG. 1 has one variable resistor element Re as an "memory element" and one access transistor AT.
가변 저항 소자(Re)의 일단이 플레이트(PL)에 접속되고, 타단이 액세스 트랜지스터(AT)의 소스에 접속되고, 액세스 트랜지스터(AT)의 드레인이 비트선(BL)에, 게이트가 워드선(WL)에, 각각 접속되어 있다. 여기서, 플레이트(PL)는 「전압 공급층」의 한 예이다. 여기서 플레이트(PL)는, 메모리 셀 어레이에 공통의 하나의 판형상의 도전층이라도 좋다. 또는, 플레이트(PL)는, 2차원적(메모리 셀 어레이의 셀 배치에서의 행 및 열방향)으로 배치하고, 메모리 어레이를 구성하는 복수의 메모리 셀을 공통으로 접속하는 격자형상의 배선이라도 좋다.One end of the variable resistor element Re is connected to the plate PL, the other end is connected to the source of the access transistor AT, the drain of the access transistor AT is the bit line BL, and the gate is the word line ( WL), respectively. Here, the plate PL is an example of the "voltage supply layer". Here, the plate PL may be a single plate-shaped conductive layer common to the memory cell array. Alternatively, the plate PL may be arranged in two dimensions (row and column directions in the cell arrangement of the memory cell array), and may be a lattice-shaped wiring connecting a plurality of memory cells constituting the memory array in common.
또한, 「전압 공급층」이 배선인 경우도 있을 수 있다. 이 경우의 「배선」은, 메모리 셀 어레이의 셀 배치에서의 하나의 행 또는 열을 구성하는 복수의 메모리 셀에 공통으로 접속되는 배선을 말한다.In addition, there may be a case where the "voltage supply layer" is wiring. The "wiring" in this case refers to a wiring commonly connected to a plurality of memory cells constituting one row or column in the cell arrangement of the memory cell array.
본 실시 형태에서는, 이와 같이 메모리 셀이 비트선(BL)과, 워드선(WL)의 2개의 선에 접속되는 2선 방식에서 보다 알맞다. 여기서 워드선(WL)은, 액세스 트랜지스터(AT)를 제어하는데, 제어 대상은 트랜지스터로 한하지 않고 메모리 셀을 선택하는 수단이라면 다른 소자라도 좋다.In this embodiment, the memory cell is more suitable in the two-wire system in which the two lines of the bit line BL and the word line WL are connected in this way. Here, the word line WL controls the access transistor AT, but the control object is not limited to a transistor, and other elements may be used as long as it is a means for selecting a memory cell.
도 3에, 인접하는 2개의 메모리 셀(MC)에 대응하는 부분의 디바이스 구조를 도시한다. 도 3은 모식 단면도이고, 사선을 붙이지 않는다. 또한, 특히 언급하지 않는 도 3의 공백 부분은 절연막으로 충전되고, 또는 다른 구성 부분의 일부를 구성한다.3 shows a device structure of portions corresponding to two adjacent memory cells MC. 3 is a schematic cross-sectional view, and no diagonal line is attached. In addition, the blank portion of FIG. 3, which is not particularly mentioned, is filled with an insulating film, or constitutes a part of another component portion.
도 3에 도해되어 있는 메모리 셀(MC)에서, 그 액세스 트랜지스터(AT)가 반도체 기판(100)에 형성되어 있다.In the memory cell MC illustrated in FIG. 3, the access transistor AT is formed on the
보다 상세하게는, 액세스 트랜지스터(AT)(AT1 또는 AT2)의 소스(S)와 드레인(D)이 되는 2개의 불순물 영역이 반도체 기판(100)에 형성되고, 그 사이의 기판 영역상에 게이트 절연막을 개재시켜서 폴리실리콘 등으로 이루어지는 게이트 전극이 형성되어 있다. 여기서는, 게이트 전극이 행방향(도 3의 지면(紙面)에 수직한 방향)으로 배선된 워드선(WL1, WL2)를 구성하고, 워드선(WL1, WL2)의 사이에 드레인(D)이 되는 불순물 영역이 배치되어 있다. 또한, 각 워드선의 드레인(D)과 반대의 측에 소스(S)가 되는 불순물 영역이 배치되어 있다.More specifically, two impurity regions serving as the source S and the drain D of the access transistor AT (AT1 or AT2) are formed on the
드레인(D)은 비트선 콘택트를 통하여, 제 1 배선층(1M)에 의해 형성된 비트선(BL)에 접속되어 있다. 또한, 도 3에 나타나 있지 않지만, 비트선(BL)은, 실제로는, 열방향(도 3의 횡방향)으로 길게 배선된다.The drain D is connected to the bit line BL formed by the
소스(S)상에, 플러그(105P)와 랜딩 패드(105)(배선층에서 형성)가 반복하여 쌓아올리짐으로써 플레이트 콘택트가 형성되어 있다. 플레이트 콘택트의 위에, 가변 저항 소자(Re)가 형성되어 있다.On the source S, the plate contact is formed by repeatedly stacking the
가변 저항 소자(Re)를 다층 배선 구조의 몇층째에 형성하는지는 임의이지만, 여기서는 대강 4 내지 5층째에 가변 저항 소자(Re)가 형성되어 있다.The number of layers of the variable resistor element Re is formed on the multilayer wiring structure, but the variable resistor element Re is formed on the fourth to fifth layers.
가변 저항 소자(Re)는, 예를 들면, 하부 전극(101)과, 플레이트(PL)가 되는 상부 전극의 사이에, 절연체막(102)과 도체막(103)을 갖는 막 구성(적층체)으로 되어 있다.The variable resistance element Re has, for example, a film structure (laminated body) having an
절연체막(102)의 재료로서는, 예를 들면, SiN, SiO2, Gd2O3 등을 들 수 있다.Examples of the material of the
도체막(103)의 재료로서는, 예를 들면, Cu, Ag, Zr, Al로부터 선택되는 하나 이상의 금속 원소를 함유하는 금속막, 합금막(예를 들면 CuTe 합금막), 금속 화합물막 등을 들 수 있다. 또한, 이온화하기 쉬운 성질을 갖는다면, Cu, Ag, Zr, Al 이외의 금속 원소를 이용하여도 좋다. 또한, Cu, Ag, Zr, Al의 적어도 하나와 조합되는 원소는, S, Se, Te중의 적어도 하나의 원소인 것이 바람직하다. 도체막(103)은, 「도전성 이온의 공급층」으로서 형성되어 있다.As the material of the
도 3에는, 하나의 플레이트(PL)에 접속된 2개의 가변 저항 소자(Re)를 도시하고 있다. 여기서, 도시한 2개의 가변 저항 소자(Re)의 기억층(절연체막(102)), 이온 공급층(도체막(103)), 및, 플레이트(PL)는, 각각이 같은 층에서 형성되어 있다.3, two variable resistance elements Re connected to one plate PL are shown. Here, the memory layers (insulator film 102), ion supply layer (conductor film 103), and plate PL of the two variable resistance elements Re shown are each formed in the same layer. .
또한, 본 실시 형태에서 플레이트(PL)는, 비트선(BL)보다 상층의 도전층에서 형성되어 있다. 여기서는, 비트선(BL)이 제 1층째의 배선층(1M)에서 형성되고, 플레이트(PL)가 4 내지 5층째의 배선층(도전층)에서 형성되어 있다. 단, 비트선(BL)과 플레이트(PL)가 이용하는 배선층의 상한(上限) 관계는 반대이라도 좋고, 각각이 몇층째인지도 임의이다.Further, in the present embodiment, the plate PL is formed of a conductive layer above the bit line BL. Here, the bit line BL is formed in the first
도 4의 A 및 B는, 각각, 가변 저항 소자(Re)의 확대도에, 전류 방향 및 인가 전압치의 예를 첨부하여 도시하는 도면이다.A and B in FIG. 4 are diagrams showing examples of current directions and applied voltage values attached to enlarged views of the variable resistor element Re, respectively.
도 4의 A 및 B는, 한 예로서, 질화막(SiN막)(104)의 개구부로 하부 전극(101)과의 접촉면적이 규제된 절연체막(102)이 SiO2로 형성되고, 도체막(103)이 CuTe 합금 베이스의 합금 화합물(Cu-Te based)로 형성되어 있는 경우를 나타내고 있다.4 and A, as an example, as an opening of the nitride film (SiN film) 104, the
도 4의 A에서는, 절연체막(102)측을 부극측, 도체막(103)측을 정극측으로 하는 전압을 하부 전극(101)과 상부 전극(플레이트(PL))에 인가한다. 예를 들면, 비트선(BL)을 0V로 접지하고, 플레이트(PL)에, 예를 들면 +3V를 인가한다.In Fig. 4A, voltages are applied to the
그러면, 도체막(103)에 포함되는 Cu, Ag, Zr, Al가, 이온화하여 부극측으로 끌어당겨지는 성질을 갖게 된다. 이들 금속의 도전성 이온이 절연체막(102)에 주입된다. 그 때문에, 절연체막(102)의 절연성이 저하되고, 그 저하와 함께 도전성을 갖게 된다. 그 결과, 도 4의 A에 도시하는 방향의 기록 전류(Iw)가 흐른다. 이 동작을 기록(동작) 또는 세트(동작)라고 한다.Then, Cu, Ag, Zr, and Al contained in the
이와는 반대로 도 4의 B에서는, 절연체막(102)측을 정극측, 도체막(103)측을 부극측으로 하는 전압을 하부 전극(101)과 상부 전극(플레이트(PL))에 인가한다. 예를 들면, 플레이트(PL)를 0V로 접지하고, 비트선(BL)에, 예를 들면 +1.7V를 인가한다.On the contrary, in FIG. 4B, a voltage is applied to the
그러면, 절연체막(102)에 주입되어 있던 도전성 이온이 도체막(103)으로 되돌아와, 기록 전의 저항치가 높은 상태로 리셋된다. 이 동작을 소거(동작) 또는 리셋(동작)이라고 한다. 리셋에서는, 도 4의 B에 도시하는 방향의 소거 전류(Ie)가 흐른다.Then, the conductive ions injected into the
그리고, 세트는 「도전성 이온을 절연체막에 충분히 주입하는 것」을 말하고, 리셋은 「도전성 이온을 절연체막으로부터 충분히 인발하는 것」을 말한다.Then, the set means " sufficiently injecting conductive ions into the insulator film ", and reset means " extracting sufficiently conductive ions from the insulator film ".
이에 대해, 어느 상태(세트 또는 리셋)를 데이터의 기록 상태로 하고, 소거 상태로 하는지는, 임의로 정의된다.On the other hand, it is arbitrarily defined which state (set or reset) is a data recording state and an erasing state.
또한, 다른 정의로는, 가변 저항 소자(Re)를 고저항 상태(HRS)로부터 저저항 상태(LRS)에 천이시키는 것을 세트, 그 반대를 리셋이라고 부른다.In another definition, the transition of the variable resistance element Re from the high resistance state HRS to the low resistance state LRS is set, and vice versa is called reset.
이하의 설명에서는, 절연체막(102)의 절연성이 저하되여 가변 저항 소자(Re) 전체의 저항치가 충분한 레벨까지 내려간 경우(저저항 상태(LRS)로의 천이)를 데이터의 「기록(세트)」에 대응시킨다. 역으로, 절연체막(102)의 절연성이 본래의 초기 상태로 되돌아와 가변 저항 소자(Re) 전체의 저항치가 충분한 레벨까지 올라간 경우(고저항 상태(HRS)로의 복귀)를 데이터의 「소거(리셋)」에 대응시킨다.In the following description, when the insulation of the
여기서, 도 2의 A 및 B에 도시하는 가변 저항 소자(Re)의 회로 심볼의 화살표는, 통상, 세트시(여기서는 기록시)의 전류와 같은 방향으로 되어 있다.Here, the arrow of the circuit symbol of the variable resistor element Re shown in A and B in Fig. 2 is usually in the same direction as the current at the time of set (in this case, writing).
상술한 세트와 리셋을 반복함에 의해, 가변 저항 소자(Re)의 저항치를, 고저항 상태와 저저항 상태의 사이에서 가역적으로 변화시키는 2치 메모리가 실현된다. 게다가, 가변 저항 소자(Re)는, 전압의 인가를 멈추어도 데이터는 유지되기 때문에 불휘발성 메모리로서 기능한다.By repeating the above-described set and reset, a binary memory that reversibly changes the resistance value of the variable resistance element Re between a high resistance state and a low resistance state is realized. In addition, the variable resistor element Re functions as a nonvolatile memory because data is retained even when the application of voltage is stopped.
단, 2치 메모리 이외의 3치 이상의 다치 메모리에 본 발명을 적용하여도 상관없다. 또한, 세트시에 실제로는, 절연체막(102)중의 금속 이온의 양(量)에 의해, 절연체막(102)의 저항치가 변화하고 있기 때문에, 절연체막(102)을, 데이터가 기억되고 유지되는 「기억층」으로 간주할 수 있다.However, the present invention may be applied to a multi-valued memory of three or more values other than a two-value memory. In addition, since the resistance value of the
이 가변 저항 소자(Re)를 이용하여 메모리 셀을 구성하고, 메모리 셀을 다수 마련함에 의해, 저항변화형 메모리의 메모리 셀 어레이를 구성할 수 있다. 저항변화형 메모리는, 이 메모리 셀 어레이와, 그 구동 제어 회로(주변 회로)를 갖고서 구성된다.By using this variable resistor element Re to form a memory cell and providing a plurality of memory cells, a memory cell array of a resistance changeable memory can be constructed. The resistance change type memory is configured with this memory cell array and its drive control circuit (peripheral circuit).
[칼럼 회로 구성과 동작][Column circuit composition and operation]
다음에, 칼럼 회로 구성과 동작을, 도 5와 도 6을 이용하여 설명한다.Next, the column circuit configuration and operation will be described with reference to Figs.
도 5에, 메모리 셀 어레이의 열(칼럼)방향의 회로 구성(칼럼 회로 구성)을 도시한다.Fig. 5 shows a circuit configuration (column circuit configuration) in the column (column) direction of the memory cell array.
도 5에서, 열방향으로 인접하는 2개의 메모리 셀(MC1, MC2)을 도시한다. 메모리 셀(MC1, MC2)의 각각은, 도 2의 A 및 B와 마찬가지로, 플레이트(PL)에 접속되는 가변 저항 소자(Re)와, 가변 저항 소자(Re)와 비트선(BL)의 사이에 접속되는 액세스 트랜지스터(AT)를 갖는다.In FIG. 5, two memory cells MC1 and MC2 adjacent in the column direction are shown. Each of the memory cells MC1 and MC2, like A and B in Fig. 2, is between the variable resistor element Re connected to the plate PL and the variable resistor element Re and the bit line BL. It has an access transistor AT connected.
메모리 셀(MC1)은, 그 워드선(WL)에 워드선 구동 펄스(동일 부호의 WL로 나타낸다)가 인가되어 선택된다. 한편, 메모리 셀(MC2)의 워드선은 비선택 워드선(Unsel WL)이고, 이 경우, 접지되어 있다.The memory cell MC1 is selected by applying a word line driving pulse (represented by WL of the same code) to the word line WL. On the other hand, the word line of the memory cell MC2 is an unselected word line Unsel WL, and in this case, is grounded.
또한, 비트선(BL)과 플레이트(PL) 사이에, 이 밖에도 다수의 메모리 셀이 접속된다.In addition, a plurality of memory cells are connected between the bit line BL and the plate PL.
도 5에서는, 다른 메모리 셀은 도시를 생략하고 있지만, 이 경우, 도시를 생략한 메모리 셀은, 메모리 셀(MC2)과 마찬가지로, 워드선이 접지된 비선택 상태이다.In FIG. 5, other memory cells are not illustrated, but in this case, the memory cells not illustrated are in a non-selected state in which the word line is grounded, as in the memory cell MC2.
같은 구성의 복수의 메모리 칼럼 구성이, 도 5에 도시하는 구성을 기본 단위로 하여 행방향으로 반복 배치되어, 메모리 셀 어레이가 구성되어 있다.A plurality of memory column configurations having the same configuration are repeatedly arranged in a row direction based on the configuration shown in FIG. 5 to form a memory cell array.
본 칼럼 회로 구성은, 전압 드라이버(51)(전압 구동부)와, 비트선의 소자 전류 제어부(52)와, 초기 전류 구동부(53)를 갖는 세트 드라이버(5)(구동 제어 회로)를, 복수의 공통선쌍(共通線對))에서 공유하는 구조를 개시한다.In this column circuit configuration, the voltage driver 51 (voltage driver), the element
그 때문에, 공유된 공통선쌍의 어느 1쌍를 선택하여, 구동 제어 회로에 접속시키는 구성이 필요하게 된다.Therefore, there is a need for a configuration in which any one pair of shared common line pairs is selected and connected to the drive control circuit.
보다 상세하게는, 비트선(BL)의 선택 트랜지스터(61)를 메모리 칼럼마다 마련하고 있다. 이 선택 트랜지스터(61)는, 같은 구동 제어 회로를 공유하는 메모리 칼럼수만큼 마련되어 있다. 도 5에서는, 선택 트랜지스터(61)를 4개 나타내고 있다.More specifically, the
도 5에 도시하는 선택 트랜지스터(61)는, NMOS 구성이기 때문에, 그 게이트에 정의 칼럼 선택 펄스(YSW)가 인가된다.Since the
한편, 비선택의 다른 선택 트랜지스터(61)는, 각 게이트가 접지되어 있다.On the other hand, in the other
선택 트랜지스터(61)에 의해 비트선(BL)과 접속되는 공통 배선은 「공통 비트선(CBL)」이라고 불린다.The common wiring connected to the bit line BL by the
세트 드라이버(5)(구동 제어 회로)는, 공통 비트선(CBL)에 접속된 회로 또는 소자로서, 전압 드라이버(51)(전압 구동부)와, 소자 전류 제어부(52)와, 리셋부(53)와, 초기 전류 구동부(55)를 갖는다.The set driver 5 (drive control circuit) is a circuit or element connected to the common bit line CBL, and includes a voltage driver 51 (voltage driver), an element
그리고, 리셋부(53)의 「리셋」은, 전술한 소거 또는 고저항화 동작이 아니라, 단지, 비동작 상태(이른바 스탠바이)의 의미이다. 이후, 「리셋」이라는 말은, 스탠바이의 의미로 이용하는 일이 있다.In addition, the "reset" of the
전압 드라이버(51)는, 2개의 PMOS 트랜지스터(P1, P2)와, 2개의 NMOS 트랜지스터(N1, N2)를 갖는다.The
PMOS 트랜지스터(P2)와 NMOS 트랜지스터(N1)의 공통 드레인이 공통 비트선(CBL)에 접속되어 있다. PMOS 트랜지스터(P2)의 소스와, 정의 세트 전압(Vset)의 공급선과의 사이에, PMOS 트랜지스터(P1)가 접속되어 있다. NMOS 트랜지스터(N1)의 소스와 접지 전위의 공급선과의 사이에, NMOS 트랜지스터(N2)가 접속되어 있다.The common drain of the PMOS transistor P2 and the NMOS transistor N1 is connected to the common bit line CBL. The PMOS transistor P1 is connected between the source of the PMOS transistor P2 and the supply line of the positive set voltage Vset. The NMOS transistor N2 is connected between the source of the NMOS transistor N1 and the supply line of the ground potential.
NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트에 세트 이네이블 신호(SetEn)가 인가되고, PMOS 트랜지스터(P2)의 게이트에 세트 이네이블의 반전 신호(/SetEn)가 인가된다.The set enable signal SetEn is applied to the gate of the NMOS transistor N1, and the inverted signal of set enable (/ SetEn) is applied to the gate of the PMOS transistor P2.
PMOS 트랜지스터(P1)와 NMOS 트랜지스터(N2)의 각 게이트에, 세트 펄스 이네이블 신호(SetPlsEn)가 인가된다.A set pulse enable signal SetPlsEn is applied to each gate of the PMOS transistor P1 and the NMOS transistor N2.
소자 전류 제어부(52)는, 공통 비트선(CBL)과 기준 전압(예를 들면 접지 전위)의 공급선과의 사이에, 2개의 NMOS 트랜지스터(N1, N2)를 통하여 직렬 접속된 단일한 NMOS 트랜지스터(N3)를 갖는다.The element
NMOS 트랜지스터(N3)의 게이트에 전류 제어를 위한 세트 게이트 전압(Vgset)이 공급된다.The set gate voltage Vgset for current control is supplied to the gate of the NMOS transistor N3.
본 실시 형태에서 특징적인 구성은, 이 소자 전류 제어부(52)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N3)와 병렬로, 초기 전류 구동부(55)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N4)를 마련한 것이다. NMOS 트랜지스터(N4)는, 비트선 구동 신호(BLDRV)로 구동된다.The characteristic configuration in this embodiment is that the NMOS transistor N4 constituting the initial
여기서, NMOS 트랜지스터(N3)가 「제 2 트랜지스터(TR)」의 예에 해당하고, NMOS 트랜지스터(N4)가 「제 1 트랜지스터(TR)」의 예에 당해한다.Here, NMOS transistor N3 corresponds to an example of "second transistor TR", and NMOS transistor N4 corresponds to an example of "first transistor TR".
이 2개의 트랜지스터를 전환함에 의한 비트 전류의 제어성의 확보와 고속 동작에의 기여에 관해서는, 후술하는 동작중에서 기술한다.The securing of the bit current controllability by switching the two transistors and its contribution to high-speed operation will be described in the operation described later.
리셋부(53)는, 소스가 세트 전압(Vset)의 공급선에 접속되고, 드레인이 공통 비트선(CBL)에 접속되는 PMOS 트랜지스터(P5)를 갖는다. PMOS 트랜지스터(P5)의 게이트는, 리셋 신호(BLRES)에 의해 제어된다.The
도 6의 A 내지 I를 이용하여 상기 도 5의 동작을 설명하기 전에, 세트 동작의 기본을, 도 7의 A 및 B를 이용하여 설명한다.Before explaining the operation of FIG. 5 using A to I in FIG. 6, the basics of the set operation will be described using A and B in FIG. 7.
세트 동작(저저항화 동작)은, 비트선(BL)과 플레이트(PL)에 정의 세트 전압(Vset)을 인가한 상태로부터, 비트선(BL)의 전위(BL 전위)를 내림으로써 시작한다. 이 때, 워드선(WL)에 전원 전압(Vddd))이 인가되어 있다. 이 때문에, 도 7의 A에 도시하는 화살표 방향으로 소자 전류(여기서는 기록 전류(Iw))가 흐른다. 그리고, 이하, 기록 전류(Iw)를 「세트(Set)전류」라고도 한다.The set operation (low resistance operation) starts by lowering the potential (BL potential) of the bit line BL from the state in which the positive set voltage Vset is applied to the bit line BL and the plate PL. At this time, the power supply voltage Vddd) is applied to the word line WL. For this reason, the element current (write current Iw here) flows in the direction of the arrow shown in Fig. 7A. Then, hereinafter, the recording current Iw is also referred to as a "set current".
도 7의 B는, 워드선에 전원 전압이 인가되어서 채널이 열린 상태의 액세스 트랜지스터(AT)의 드레인 전압-드레인 전류 특성(포화 특성)에, 가변 저항 소자(Re)에 의한 부하 직성을 겹친 도면이다.FIG. 7B is a diagram in which a load voltage by a variable resistor element Re is superimposed on a drain voltage-drain current characteristic (saturation characteristic) of the access transistor AT in which the channel is opened due to a power voltage being applied to the word line. to be.
도 7의 A에 도시하는 바와 같이, 가변 저항 소자(Re)와 액세스 트랜지스터(AT) 사이의 노드를 기억 노드(SN)라고 한다. 도 7의 B의 횡축은, 접지 상태의 비트선 전위를 기준으로 하는 SN 전압(액세스 트랜지스터(AT)의 드레인 전압)을 도시한다. 또한, 도 7의 B의 종축은, Set 전류(액세스 트랜지스터(AT)의 드레인 전류)를 도시한다.As shown in Fig. 7A, the node between the variable resistor element Re and the access transistor AT is referred to as a storage node SN. The horizontal axis of B in FIG. 7 shows the SN voltage (drain voltage of the access transistor AT) based on the bit line potential in the ground state. In addition, the vertical axis of B in FIG. 7 shows the Set current (drain current of the access transistor AT).
세트 동작의 전에서는, 워드선(WL)의 인가 전압은, 예를 들면 전원 전압(Vddd))이기 때문에, 기억 노드(SN)와 비트선(BL)은 단락되어, SN 전위와 비트선(BL)의 전위(이하, BL 전위)는 거의 동전위로 되어 있다. 또한, 이 때 비트선(BL)이 세트 전압(Vset)으로 유지되어 있기 때문에, 가변 저항 소자(Re)에 매우 작은 전압밖에 인가되지 않고, 가변 저항 소자(Re)는, 거의 스트레스 프리의 상태이다. 또한, 액세스 트랜지스터(AT)는, 그 소스와 드레인사이의 전압도 매우 작고, 비 포화 영역에서 동작하든지, 전류를 흘리지 않는다.Before the set operation, since the applied voltage of the word line WL is, for example, the power supply voltage Vddd, the storage node SN and the bit line BL are short-circuited, and the SN potential and the bit line BL ) 'S potential (hereinafter, BL potential) is almost above the coin. In addition, since the bit line BL is maintained at the set voltage Vset at this time, only a very small voltage is applied to the variable resistance element Re, and the variable resistance element Re is almost in a stress-free state. . In addition, the voltage between the source and the drain of the access transistor AT is very small, and does not flow current even when operating in a non-saturation region.
이 상태에서 세트 동작이 시작되고, 비트선(BL)의 전위가 기준 전위, 예를 들면 GND로 떨어진다. 세트 시작시는, 가변 저항 소자(Re)가 고저항 상태(HRS)이기 때문에, 부하 직선의 기울기가 작다. 이 세트 동작의 시작부터 잠시의 동안은, 동작점의 전압(제 1의 기억 노드 전압(Vsn1))은 매우 작다. 따라서 가변 저항 소자(Re)는, (Vset-Vsn1)의 큰 전압이 인가되어 전압 스트레스에 폭로된다. 여기서 BL 전위는 (Vset-Iset×Rcell)이고, 셀 저항(Rcell)이 매우 크기 때문에, BL 전위는 기준 전압(Vss)(여기서는 GND=0V)에 가까운 값을 취한다. 따라서, 가변 저항 소자(Re)의 인가 전압은, 세트 전압(Vset)에 가까운 큰 전압이다.In this state, the set operation starts, and the potential of the bit line BL falls to the reference potential, for example, GND. At the start of the set, the slope of the load straight line is small because the variable resistance element Re is in the high resistance state HRS. For a while from the start of this set operation, the voltage at the operating point (first storage node voltage Vsn1) is very small. Therefore, a large voltage of (Vset-Vsn1) is applied to the variable resistor element Re to expose the voltage stress. Here, since the BL potential is (Vset-Iset × Rcell) and the cell resistance Rcell is very large, the BL potential takes a value close to the reference voltage Vss (here, GND = 0V). Therefore, the applied voltage of the variable resistance element Re is a large voltage close to the set voltage Vset.
이 큰 스트레스가 어느 정도의 시간 걸리면, 가변 저항 소자(Re)가 고저항 상태(HRS)로부터 저저항 상태(LRS)로 천이한다(LRS 반전). LRS 반전이 일어나면, 부하 직선의 기울기가 급격하게 커지고, 동작점이 포화 영역에 들어간다. 동작점의 전압은, 작은 제 1의 기억 노드 전압(Vsn1)으로부터, 제 2의 기억 노드 전압(Vsn2)으로 천이한다. LRS 반전 후는, SN 전위가, Set 전류(Iset)(반전 후의 소자 전류)와 LRS시의 소자 저항치(RLRS)의 곱(積)으로 결정되는 전압(Vsn2)=(Iset×RLRS)이 되고, 전압(Vset-Vsn2)이 가변 저항 소자(Re)에 인가된 상태가 된다.When this large stress takes a certain time, the variable resistance element Re transitions from the high resistance state HRS to the low resistance state LRS (LRS inversion). When the LRS inversion occurs, the slope of the load straight line increases rapidly, and the operating point enters the saturation region. The voltage at the operating point transitions from the small first memory node voltage Vsn1 to the second memory node voltage Vsn2. After LRS inversion, the SN potential becomes a voltage (Vsn2) = (Iset × RLRS) determined by the product of Set current (Iset) (element current after inversion) and element resistance value (RLRS) at LRS, The voltage Vset-Vsn2 is applied to the variable resistance element Re.
비트선의 전류 구동 방식에서는, 도 7의 A에 도시하는 바와 같이, 세트 게이트 전압(Vgset)이 인가된 NMOS 트랜지스터(N3)(소자 전류 제어부(52))가, 실효적으로, 비트선(BL)과 접지 전위의 사이에 개재한다(도 5 참조).In the current driving method of the bit line, as shown in Fig. 7A, the NMOS transistor N3 (element current control unit 52) to which the set gate voltage Vgset is applied is effectively, the bit line BL. And a ground potential (see Fig. 5).
지금 가령, 이 NMOS 트랜지스터(N3)가 없는 경우를 상정하면, 비트선(BL)은 접지 전위에, 직접 접속되어 전위 고정된 상태가 된다. 이 경우에, 기억 소자(가변 저항 소자(Re))의 특성 편차가 있으면, 동작점도 변동하고, 그 결과, Set 전류치도 흐트러져 버린다.Now, for example, assuming the case where the NMOS transistor N3 is not present, the bit line BL is directly connected to the ground potential, and the potential is fixed. In this case, if there is a characteristic variation of the storage element (variable resistance element Re), the operating point also fluctuates, and as a result, the set current value is disturbed.
이에 대해, 비트선의 전류 구동 방식에서는, NMOS 트랜지스터(N3)가, 비트선에 흘리는 전류(즉, 기록 전류(IW) 또는 Set 전류)를 일정하게 하도록, 그 드레인 전위(비트선 전위)를 변동시킨다. 이 때문에, 소자 특성의 편차가 있어도, 포화 영역에서 Set 전류가 일정하게 된다.In contrast, in the current driving method of the bit line, the drain potential (bit line potential) is changed so that the NMOS transistor N3 keeps the current flowing through the bit line (that is, the write current (IW) or Set current) constant. . For this reason, even if there is variation in device characteristics, the set current is constant in the saturation region.
LRS 반전 후는, 비트선(BL)의 전위를 원래의 세트 전압(Vset)으로 되돌려서, 당해 세트 동작이 종료된다.After LRS inversion, the potential of the bit line BL is returned to the original set voltage Vset, and the set operation is ended.
이상의 세트 동작에서, 전류 전환하여 BL 전위를 내리는 예를, 도 6의 A 내지 I에 도시하는 타이밍 차트를 이용하여 회로 동작의 면에서 설명한다. 또한, 이 동작 설명에서는 도 5에서 이용한 회로 소자의 참조 부호를 적절히 인용한다.In the above set operation, an example of switching the current and lowering the BL potential will be described in terms of circuit operation using the timing charts shown in A to I in Fig. 6. In addition, in this operation description, reference numerals of the circuit elements used in FIG. 5 are appropriately cited.
도 6의 A 내지 I에 도시하는 시간(t0)까지는 스탠바이 상태이고, 이 때 도 6의 A 내지 F에 도시하는 바와 같이, 도 5에서 이용된 각종의 (펄스)신호가, 각각 하이(H) 또는 로우(L)의 결정된 값을 취한다.In the standby state until the time t0 shown in FIGS. 6A to 6, various (pulse) signals used in FIG. 5 are high (H), respectively, as shown in FIGS. Or take the determined value of row L.
구체적으로는, WL=L로 액세스 트랜지스터(AT)가 오프, YSW=L로 선택 트랜지스터(61)가 오프 하고, 비트선(BL)은 공통 비트선(CBL)으로부터 절리되어 있다. (/BLRES)=L이고, 공통 비트선(CBL)은, 온 상태의 PMOS 트랜지스터(P5)에 의해 세트 전압(Vset)에 접속되어 있으며 또한 SetEn=L이기 때문에, 전압 드라이버(51)에 의한 전압 구동은 비활성으로 되어 있다. 또한, 비트선 구동 신호(BLDRV)는 활성 레벨의 L이지만, SetEn=L로 NMOS 트랜지스터(N1)가 오프 하고, 그 때문에, 초기 전류 구동부(55)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N4)는 동작하지 않는다.Specifically, the access transistor AT is turned off at WL = L, the
이 때 도 6의 G에 도시하는 세트 게이트 전압(Vgset)은, 도 5에서는 나타내지 않은 제어 회로에 의해 어느 전압으로 설정되어 있다. 단, SetEn=L이여서 NMOS 트랜지스터(N4)가 오프 하고, NMOS 트랜지스터(N3)에 의한 비트선 전류 제어는 작용하지 않는다(무효이다).At this time, the set gate voltage Vgset shown in G of FIG. 6 is set to a certain voltage by a control circuit not shown in FIG. 5. However, since SetEn = L, the NMOS transistor N4 is turned off, and the bit line current control by the NMOS transistor N3 does not work (it is invalid).
도 6의 H 및 I와 같이, 스탠바이시에는, 비트선(BL) 및 공통 비트선(CBL) 등이 SetEn=L이기 때문에 세트 전압(Vset)을 취하고, 소자 전류는 흐르지 않는다.As in H and I in Fig. 6, in the standby mode, the set voltage Vset is taken because the bit line BL, the common bit line CBL, and the like are SetEn = L, and the device current does not flow.
시간(t0)에서, 도 6의 A 내지 D에 도시하는 각종 신호가 반전한다.At time t0, various signals shown in FIGS. 6A to D are inverted.
이에 의해 스탠바이 상태가 해제되고, 칼럼 스위치가 도통하여 비트선(BL)이 공통 비트선(CBL)과 접속된다.As a result, the standby state is released, and the column switch conducts, so that the bit line BL is connected to the common bit line CBL.
액세스 트랜지스터(AT)가 도통 가능해진다.The access transistor AT becomes conductive.
또한, 전압 드라이버(51)에서, NMOS 트랜지스터(N1)와 PMOS 트랜지스터(P2)가 온 가능해진다. 단, 도 6의 E에 도시하는 바와 같이 SetPlsEn=L이 유지되어 있기 때문에, 전압 드라이버(51)에 의한 플레이트의 전압 구동은 아직 행하여지지 않는다.In addition, in the
또한, 소자 전류 제어부(52)에서는, NMOS 트랜지스터(N3)에 의해 비트선 전류 제어가 가능한 유효(valid)기간이 된다.In addition, in the element
이상과 같이, 시간(t0)에서의 신호 반전에 의해, 세트 동작의 사전 준비가 정돈된다.As described above, the preliminary preparation of the set operation is ordered by the signal inversion at time t0.
세트 동작(저저항화 동작)은, 시간(t0)에 계속된 시간(t1)에서 시작된다. 이 때 비트선(BL)과 공통 비트선(CBL)이 접지 전위로 전위 강하를 시작하고, 세트 동작이 시작된다.The set operation (low-resistance operation) starts at a time t1 continued to the time t0. At this time, the bit line BL and the common bit line CBL begin to drop in potential to the ground potential, and the set operation starts.
본 실시 형태로 특징적인 것은, 세트 동작의 시작을, 보다 큰 구동력을 갖는 큰 제 1 전류(I1)를 흘리는 NMOS 트랜지스터(N4)로 구동하고, 도중에 제 1 전류(I1)를, 보다 작은 제 2 전류(I2)로 전환하는 것이다.What is characteristic of this embodiment is that the start of the set operation is driven by the NMOS transistor N4 through which a large first current I1 having a greater driving force flows, and the first current I1 in the middle is smaller than the second. It is to convert to current (I2).
구체적으로는, 시간(t1)에서 세트 펄스 이네이블 신호(SetPlsEn)가 상승하면, NMOS 트랜지스터(N1, N2)의 양쪽이 온 한 상태가 되기 때문에, NMOS 트랜지스터(N4)(초기 전류 구동부(55))도 온 한다. 그에 의해, 도 6의 H에 도시하는 바와 같이 급속하게 공통 비트선(CBL) 및 비트선(BL)의 전위가 저하된다.Specifically, when the set pulse enable signal SetPlsEn rises at time t1, both of the NMOS transistors N1 and N2 are turned on, so the NMOS transistor N4 (initial current driver 55) ) Also comes. As a result, as shown in H in Fig. 6, the potentials of the common bit line CBL and the bit line BL fall rapidly.
충분히 전위가 저하된 시간(t3)에서, 흘리는 전류를 I1로부터 I2로 전환하기 위해, 온 하는 트랜지스터가 NMOS 트랜지스터(N4)로부터 NMOS 트랜지스터(N3)로 전환된다. 이 전환은, 비트선 구동 신호(BLDRV)가 하강함으로써 행하여진다.At a time t3 when the potential is sufficiently reduced, the switching transistor is switched from the NMOS transistor N4 to the NMOS transistor N3 in order to convert the current flowing from I1 to I2. This switching is performed by the bit line driving signal BLDRV falling.
이 2단계의 전류 구동에 의해, 세트 동작의 고속화가, 이하와 같이 도모된다.By this two-step current driving, speeding up of the set operation is achieved as follows.
도 6의 H에는 파선에 의해, 2단계의 전류 구동을 행하지 않는, 즉 초기 전류 구동부(55)를 마련하지 않은 경우를 도시한다. 그 경우, 전류 제어를 위해 게이트 바이어스되어 전류를 급속하게 흘릴 수 없는 NMOS 트랜지스터(N3)만의 구동으로 되기 때문에, 완만한 전위 저하밖에 얻어지지 않는다.FIG. 6H shows a case where the two-step current driving is not performed by the broken line, that is, the initial
이에 대해, 본 실시 형태에서는, 2단계의 I1→I2의 전환에 의해 급속한 전위 저하를 얻을 수 있고, 그 만큼, LRS 천이도 빨라지고, 결과, 세트 동작시간의 단축화가 도모되어 있다.On the other hand, in this embodiment, rapid dislocation reduction can be obtained by switching between I1 and I2 in two stages, and as a result, the LRS transition is also faster, resulting in shorter set operation time.
이와 같은 세트 동작이 시작되어도, 도 7의 B의 부하 곡선으로 도시한 바와 같이, 메모리 셀은 고저항 상태(HRS)이기 때문에 세트 드라이버(5)는 선형 영역에서 동작하고, BL 전위는 「(Vset-Iset×RHRS) Vss(GND)」이다. 따라서, 가변 저항 소자(Re)가 Vset에 가까운 큰 전압 스트레스에 폭로되고, 잠시 후에 LRS 반전한다. 이것은, 도 7의 A 및 B를 이용하여 이미 설명한 바와 같다.Even if such a set operation is started, as shown in the load curve of FIG. 7B, the
도 6의 H에서, 시간(t1)부터 시간(t3)까지의 기간은, LRS 반전을 일으키기까지의 스트레스 인가 시간(실행적인 기록 시간)을 나타내고 있다. 이와 같이 저항변화형 메모리 소자, 예를 들면 도 4의 A 및 B의 구성의 메모리 소자에서는, 어느 정도 큰 전압의 인가에 의해 금속 이온의 이동이 일어나기 시작하고, 저항 상태의 천이가 생긴다.In H in Fig. 6, the period from time t1 to time t3 indicates the stress application time (practical recording time) until LRS inversion occurs. In this way, in the resistance change type memory element, for example, the memory elements having the structures A and B of Fig. 4, the movement of metal ions starts to occur by application of a voltage that is somewhat large, and a resistance state transition occurs.
시간(t3)에서 LRS 반전이 일어나면, 소자 전류 제어부(52)가 갖는 NMOS 트랜지스터(N3)의 비트선 전류 제어에 의해, 비트선 전류, 즉 소자 전류(Set 전류)가 일정하게 되도록 BL 전위가 제어된다. 이 제어 후의 BL 전위는, 도 6의 H에 도시하는 바와 같이, 접지 전위(GND)보다 크고, 세트 전압(Vset)보다 작은 값을 취한다. 이 값은, 가변 저항 소자(Re)에 특성 편차가 있어도 Set 전류(Iset)가 일정하게 되도록, 메모리 셀마다 적응적으로 변화한다. 또한, NMOS 트랜지스터(N3)에 주는 세트 게이트 전압(Vgset)으로 Set 전류(Iset)를 소망하는 값으로 제어할 수 있다.When LRS inversion occurs at time t3, the BL potential is controlled so that the bit line current, that is, the device current (Set current) is constant, by controlling the bit line current of the NMOS transistor N3 of the device
여기서, 가변 저항 소자(Re)에는, 도 6의 H에 도시하는 바와 같이, (Iset×RLRS)의 전압이 인가된다. 이 때 도 4의 A 및 B에 도시하는 바와 같이, Set 전류(Iset)의 값에 의해 LRS의 저항치(RLRS)를 제어할 수 있다. 이 제어는, 본 발명에서는 비트선 전류 제어이고, 도 5에 도시하는 NMOS 트랜지스터(N3)에 주어진 세트 게이트 전압(Vgset)을 어떤 값으로 하는지에 의해 소망하는 LRS의 저항치(RLRS)를 얻을 수 있다.Here, the voltage of (Iset × RLRS) is applied to the variable resistor element Re, as shown in H in FIG. 6. At this time, as shown in A and B of FIG. 4, the resistance of the LRS (RLRS) can be controlled by the value of the Set current (Iset). This control is a bit line current control in the present invention, and a desired LRS resistance value RLRS can be obtained by setting the set gate voltage Vgset given to the NMOS transistor N3 shown in FIG. .
따라서 다수의 메모리 셀에서 좁은 LRS 저항 분포의 실현이 가능하고, 또한, 2 비트보다 많은 비트의 다치화 메모리의 실현이 용이해진다.Therefore, it is possible to realize a narrow LRS resistance distribution in a large number of memory cells, and it is also easy to realize a multivalued memory with more than 2 bits.
그 후의 시간(t4)에서, 세트 펄스 이네이블 신호(SetPlsEn)가 L로 되돌아온다. BL 전위가 플레이트(PL)의 전위(Vset)까지 들어 올려지고, 이에 의해 세트 동작(저저항화 동작)이 종료된다.In the subsequent time t4, the set pulse enable signal SetPlsEn returns to L. The BL potential is raised to the potential Vset of the plate PL, whereby the set operation (lower resistance operation) ends.
시간(t6)에서, 모든 신호를 초기 논리로 되돌리면, 재차 스탠바이 상태가 된다.At time t6, if all signals are returned to the initial logic, the standby state is resumed.
[메모리 전체의 블록 구성][Block configuration of the entire memory]
도 8에, 저항변화형 메모리 디바이스의 전체의 블록 구성을 예시한다. 도 8은, 1T-1R형의 메모리 셀(MC)을 행렬형상으로 다수 배치한 메모리 셀 어레이(1)와, 그 주변 회로의 주요부를 도시하는 회로 블록도이다.In Fig. 8, the entire block configuration of the resistance changeable memory device is illustrated. Fig. 8 is a circuit block diagram showing a main portion of a
도해한 메모리는, 4개의 메모리 셀 열마다, 하나의 세트 드라이버(5)와, 당해 세트 드라이버(5)가 접속되는 공통선쌍(CBL, CSL)이 공유된 방식이 채용되어 있다. 4개의 메모리 셀 열과, 하나의 공통선쌍(CBL, CSL)과의 접속 제어는, 선택 트랜지스터(61, 62)를 4쌍 갖는 YSW부(60)에서 행하여진다. 이 접속 제어는, 1/4MUX 전환이고, 공통선쌍(CBL, CSL)에 접속하는 (BL, SL)쌍이 4쌍으로부터 1쌍만 선택된다.The illustrated memory employs a method in which one set
YSW부(60)마다 4쌍 마련된 선택 트랜지스터(61, 62)의 선택 신호(YSW<0> 내지 YSW<3>)를 발생하는 YSW 드라이버(6)가 마련되어 있다.A
또한, 메모리 셀 어레이(1)에 (N+1)개 마련된 워드선(WL<0> 내지 WL<N>)의 어느 하나를 선택하여, 예를 들면 전원 전압(Vddd))으로 구동하는 WL 드라이버(4)가 마련되어 있다.In addition, a WL driver which selects any one of (N + 1) word lines WL <0> to WL <N> provided in the
1/4MUX 전환 방식을 채용하는 본 예에서는, 세트 드라이버(5)가, 메모리 칼럼수의 1/4의 수만큼 마련되고, 그 만큼, 세트 드라이버(5)의 배치 스페이스에 여유가 있고, 효율적인 배치로 되어 있기 때문에 면적 축소가 도모되어 있다.In this example employing the 1 / 4MUX switching method, the
각 세트 드라이버(5)는, 도 5에 도시하는 회로 구성으로 되어 있고, 필요한 4종류의 신호가, 메모리 내의 세트 제어 회로(11)로부터 주어진다. 4종류의 신호란, 세트 펄스 이네이블 신호(SetPlsEn), 세트 이네이블 신호(SetEn), 비트선 구동 신호(BLDRV), 리셋 신호(BLRES)인데, 앞(前)에서 2개의 반전 신호를 포함하면, 합계 6종류의 신호가 세트 제어 회로(11)에서 생성된다.Each set
세트 전압(Vset)과 세트 게이트 전압(Vgset)을 발생하는 전원 회로(Power Circuit)(8)가 마련되어 있다.A
여기서 세트 제어 회로(11)는, 메모리 디바이스의 각 블록 전부를 통괄 제어하는 부도시의 통괄 제어 회로의 기능의 일부로서 실현하여도 좋고, 통괄 제어 회로에 제어되는 개별 제어 회로로서 배치되어도 좋다.Here, the
또한, 전원 회로(8)는, 통괄 제어 회로(부도시) 또는 세트 제어 회로(11)의 제어를 받아서, 세트 게이트 전압(Vgset)의 값을 가변 제어한다. 이에 의해, 소망하는 LSR 저항치를 얻을 수 있도록 Set 전류가 변경 가능한 메모리가 실현되어 있다.Further, the
<2. 제 2의 실시의 형태><2. Second Embodiment>
도 9에, 칼럼 회로 구성도를 도시한다.9, a column circuit configuration diagram is shown.
도 9의 구성을 도 5와 비교하면, 초기 전류 구동부(55)(N3)가 생략되고, 대신에, 제어 회로(52A)가 추가되어 있는 것이다. 제어 회로(52A)는, 소자 전류 제어부(52)의 일부를 구성한다. 단, 배치로서는, 도 8에 도시하는 바와 같이 전원 회로(8) 내에 마련된다.9, the initial current driver 55 (N3) is omitted, and instead, a
이 제 2의 실시 형태에서는, 소자 전류 제어부(52)의 게이트 바이어스를, 세트 전류 초기는, 보다 큰 제 1 전류(I1)가 흐르도록 제어하고, 계속해서, 제 1 전류(I1)보다 작은 제 2 전류가 흐르도록, 당해 게이트 바이어스를 전환하는 구성을 개시한다.In this second embodiment, the gate bias of the element
구체적으로, 제어 회로(52A)는, NMOS 트랜지스터(N3)의 게이트에 대해 병렬로 접속되는 NMOS 트랜지스터(N6)와 PMOS 트랜지스터(P6)를 갖는다. NMOS 트랜지스터의 드레인은, 세트 전압(Vset)의 공급선에 접속되어 있다. PMOS 트랜지스터(P6)는, 세트 게이트 전압(Vgset)의 입력단자를 갖는다. 세트 게이트 전압(Vgset)은, 도 8의 세트 제어 회로(11) 또는 부도시의 통괄 제어 회로에서 발생하고, PMOS 트랜지스터(P6)에 주어진다.Specifically, the
NMOS 트랜지스터(N6)와 PMOS 트랜지스터(P6)는, 비트선 구동 신호(BLDRV)에 의해 차동 제어된다. 이하, 이 차동 제어에 의한 BL 전위의 인하를 설명하지만, 동작 파형도는 도 6의 A 내지 I와 마찬가지이고, 도 6의 A 내지 I가 그대로 적용된다.The NMOS transistor N6 and the PMOS transistor P6 are differentially controlled by the bit line driving signal BLDRV. Hereinafter, although the reduction of the BL potential by this differential control will be described, the operation waveform diagram is the same as A to I in Fig. 6, and A to I in Fig. 6 are applied as it is.
세트 동작 시작의 초기는 NMOS 트랜지스터(N6)가 온, PMOS 트랜지스터(P6)가 오프 하기 때문에, 보다 큰 세트 전압(Vset)으로, 소자 전류 제어부(52)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N3)가 드라이브된다. 따라서, 큰 전류 구동력으로 BL 전위의 급속한 끌어내림이 행하여진다. 충분한 전위 저하가 얻어지면, 비트선 구동 신호(BLDRV)의 반전에 의해, NMOS 트랜지스터(N6)가 턴 오프, PMOS 트랜지스터(P6)가 턴온 한다. 이에 의해, 이후, 보다 작은 전압치의 세트 게이트 전압(Vgset)에 의해 비트선 전류 제어가 행하여진다.Since the NMOS transistor N6 is turned on and the PMOS transistor P6 is turned off at the beginning of the start of the set operation, the NMOS transistor N3 constituting the element
<3. 제 3의 실시의 형태><3. Third embodiment>
제 3의 실시 형태에 관한 칼럼 회로 구성도를 도 10에, 동작 파형도(타이밍 차트)를 도 11의 A 내지 I에, 각각 도시한다.The column circuit configuration diagram according to the third embodiment is shown in Fig. 10, and the operation waveform diagram (timing chart) is shown in Figs. 11A to 11, respectively.
상기한 제 1의 실시 형태에서는, BL 전위를 높은 전위로부터 낮은 전위로 내림으로써 세트 동작을 행하였다. 이에 대해, 본 제 2의 실시 형태에서는, BL 전위를 낮은 전위로부터 높은 전위로 올림으로써 세트 동작을 행한다.In the first embodiment described above, the set operation was performed by lowering the BL potential from a high potential to a low potential. In contrast, in the second embodiment, a set operation is performed by raising the BL potential from a low potential to a high potential.
이상과 같은 변경에 수반하여, 도 10에 도시하는 바와 같이, 소자 전류 제어부(52)를 구성하는 트랜지스터가 전원측(세트 전압(Vset) 측)에 배치되고, 이것과 병렬로 초기 전류 구동부(55)를 구성하는 트랜지스터도 마련되어 있다. 이들의 트랜지스터(P3, P4)는 N형으로부터 P형으로 변경되어 있다. 또한, 제어 신호의 활성 논리도 반전하고 있다.10, the transistors constituting the element
또한, 플레이트(PL)가 접지 전위로 유지되어 있다.Further, the plate PL is maintained at the ground potential.
이 경우, 도 11의 A 내지 I에 도시하는 동작 파형이 된다. 그리고, 도 11의 A와 E는 도 6의 A와 E의 파형으로부터 반전하고 있다.In this case, the operation waveforms shown in FIGS. 11A to 11 are obtained. Then, A and E in Fig. 11 are inverted from the waveforms A and E in Fig. 6.
그 외에, 도 11의 H에 도시된 전압 파형도가 도 6의 H에 도시된 것과 다르다. 이 경우, BL 전위가 L로부터 H로 올라감으로써 세트 동작이 시작된다. 또한, 최후에 스탠바이 상태로 되돌리는 동작은 전위를 L로 되돌림에 의해 행한다.Besides, the voltage waveform diagram shown in H in Fig. 11 is different from that shown in H in Fig. 6. In this case, the set operation starts by increasing the BL potential from L to H. In addition, the operation of returning to the standby state at the end is performed by returning the potential to L.
세트 동작 초기의 2단계의 전류 제어는, 제 1의 실시 형태에서 기술한 바와 같다. 이에 의해, 높은 전류 제어성을 유지한 채로 고속 동작이 가능해진다.The two-stage current control in the initial stage of the set operation is as described in the first embodiment. This enables high-speed operation while maintaining high current controllability.
또한, 이와 같은 세트 동작을, BL 전위를 올림으로써 행하는 것은, 제 2의 실시 형태에서도 마찬가지로 적용 가능하다. 또한, 도 8의 블록도는, 본 실시 형태에서 그대로 적용 가능하다.In addition, performing such a set operation by raising the BL potential is also applicable to the second embodiment. In addition, the block diagram of FIG. 8 is applicable as it is in this embodiment.
<4. 제 4의 실시의 형태><4. Fourth embodiment>
도 12에, 제 4의 실시 형태에 관한 칼럼 회로 구성을 도시한다.12 shows the column circuit configuration according to the fourth embodiment.
도 12에 도시하는 구성에서는, 각 메모리 셀(MC)의 액세스 트랜지스터(AT)가, 제 1 내지 제 3의 실시 형태의 NMOS 트랜지스터로부터, PMOS 트랜지스터로 변경되어 있는 것이다. 이에 수반하여, 워드선(WL)의 제어 신호의 활성 논리가, 도 6의 A 및 도 11의 A의 경우와 반전할 필요가 있다. 도 8의 블록도는 그대로 적용된다.In the configuration shown in Fig. 12, the access transistor AT of each memory cell MC is changed from the NMOS transistors of the first to third embodiments to PMOS transistors. In connection with this, the active logic of the control signal of the word line WL needs to be inverted with the case of A in Fig. 6 and A in Fig. 11. The block diagram of Fig. 8 is applied as it is.
그 밖의 회로 구성과 동작 파형도는, 제 1 내지 제 3의 실시 형태와 공통된다.Other circuit configurations and operation waveform diagrams are common to the first to third embodiments.
이상과 같이, 본 발명은, 저저항화 동작(set 동작)을 비트선의 전위 변화로 시작하고, 저저항화 동작중은 기억 소자(Re)에 흐르는 소자 전류(Iset)를 비트선의 측에서 제어한다. 그리고, set 동작의 시작 초기는, 제 1 전류로 고속의 BL 전위의 변화를 달성하고, 보다 작은 제 2 전류로 전환하여, 이 제 2 전류로 비트선 전류 제어를 행한다. 이 제어는, 세트 드라이버(5)를 적어도 포함하는 구동 제어 회로에서 실행된다. 구동 제어 회로에는, 세트 제어 회로(11)(또는 통괄 제어 회로), 전원 회로(8) 등을 개념으로서 포함하여도 좋다.As described above, the present invention starts a low-resistance operation (set operation) with a change in the potential of the bit line, and controls the element current (Iset) flowing in the storage element Re at the bit line side during the low-resistance operation. . Then, at the beginning of the start of the set operation, a change in the BL potential at a high speed is achieved with the first current, and the second current is switched to control the bit line current with the second current. This control is executed in a drive control circuit that includes at least the
구동 제어 회로의 구체적 구성으로서, 비트선(BL)에 접속되어 제 1 전류(I1)를 흘리는 초기 전류 구동부(55)(제 1 트랜지스터(N4))와, 이에 병렬 접속되어 제 2 전류(I2)를 흘림과 함께 비트선 전류 구동을 행하는 소자 전류 제어부(52)(제 2 트랜지스터(N3))를 포함하면 좋다. 이 경우, 제 1, 제 2 트랜지스터(N4, N3)를 차동으로 제어하여, 제 1 및 제 2 전류의 전환를 행하면 좋다.As a specific configuration of the drive control circuit, the initial current driver 55 (first transistor N4) connected to the bit line BL to flow the first current I1 and the second current I2 connected in parallel therewith It is sufficient to include an element current control unit 52 (second transistor N3) that performs bit line current driving while flowing. In this case, the first and second transistors N4 and N3 may be differentially controlled to switch the first and second currents.
제 1 트랜지스터(N4)의 구동 능력이, 제 2 트랜지스터(N3)의 구동 능력보다 크다.The driving ability of the first transistor N4 is greater than that of the second transistor N3.
또는, 제 1 트랜지스터(N4)는, 제 2 트랜지스터(N3)에 입력되어서 소자 전류를 제어할 때의 제어 펄스의 파고치(예를 들면 Vgset)보다 큰 파고치(예를 들면 Vset)의 전압으로 구동된다.Alternatively, the first transistor N4 is input to the second transistor N3 and is a voltage at a peak value (for example, Vset) larger than the peak value (for example, Vgset) of the control pulse when controlling the device current. It is driven.
BL 전위를 내림으로써 세트 동작을 행하는 구성, BL 전위를 올림으로써 세트 동작을 행하는 구성의 어느 것이라도 좋다.Either the configuration that performs the set operation by lowering the BL potential or the configuration that performs the set operation by increasing the BL potential may be used.
또는, 초기 전류 구동부(55)(N4)는 생략하고, 소자 전류 제어부(52)의 NMOS 트랜지스터(N3)의 게이트를 전압 변화시켜서, 최초는 큰 전류 구동력으로 구동하고, 그 후, BL 전류 제어에 적합한, 보다 작은 구동력으로 전환하는 제어도 가능하다. 이 제어는, 세트 제어 회로(11), 또는 통괄 제어 회로의 기능의 일부로서 실현되면 좋다.Alternatively, the initial current driving unit 55 (N4) is omitted, and the gate of the NMOS transistor N3 of the device
<5. 변형예><5. Modification>
이상의 실시 형태는, 비트선과 함께 기억 소자에 전압을 인가하는 「전압 공급부재」가 플레이트(PL)로 주로 설명하였다. 단, 이 전압 공급부재는, 예를 들면 소스선등과 같이 메모리 칼럼마다 분리되어 있는 3선식의 실시예를 포함한다. 도 8의 블록도는, 소스선(SL)을 분리하여 마련하여, 개별 제어도 가능하고, 또한 플레이트와 같이 일괄하여 전압 구동하는 것도 가능한 구성으로 되어 있다.In the above embodiment, the "voltage supply member" for applying a voltage to the storage element together with the bit line was mainly described as the plate PL. However, this voltage supply member includes, for example, a three-wire embodiment, which is separated for each memory column, such as a source wire. In the block diagram of FIG. 8, the source line SL is provided separately, and individual control is also possible, and it is also possible to collectively drive voltage like a plate.
일반적으로, 3선식에서는, 저저항화 동작의 시작시의 전압 변화를 분리된 배선(소스선(SL))으로 행하면 족하다. 그러나, 이에 의해, 동작 시작과 전류 제어를 같은 비트선(BL)의 측에서 행한 본 발명을, 3식에서 비트선으로 전압 제어와 전류 제어를 동시에 행한 것을 배제하는 이유가 되지 않는다. 따라서, 본 발명을 3선식에 적용하는 것은 가능하다.In general, in the 3-wire system, it is sufficient if the voltage change at the start of the low-resistance operation is performed by a separate wiring (source line SL). However, this is not a reason for excluding the present invention in which operation start and current control are performed on the side of the same bit line BL, in which voltage control and current control are simultaneously performed with the bit line in equation (3). Therefore, it is possible to apply the present invention to a three-wire system.
본 발명에 관한 저항변화형 메모리 디바이스는, 예를 들면 도 4의 A 및 B에 구조를 도시하는, 도전성 이온의 이동으로 저항치를 변화시키는 타입이 알맞다. 단, 본 발명은, 절연층의 산화, 환원을 이용한 타입등, 다른 저항변화형 메모리에도 널리 적용할 수 있다.The resistance change type memory device according to the present invention is suitable for a type in which resistance values are changed by movement of conductive ions, for example, showing structures in A and B of Fig. 4. However, the present invention can be widely applied to other resistance change type memories, such as a type using an oxidation and reduction of an insulating layer.
당업자라면, 하기의 특허청구범위 또는 그 등가의 범위 내에서, 설계상의 필요 또는 다른 요인에 따라, 상기 실시의 형태에 대한 여러 가지 변형예, 조합예, 부분 조합예, 및 수정예를 실시할 수 있을 것이다.Various modifications, combinations, partial combinations, and modifications to the above-described embodiments can be carried out by those skilled in the art according to design needs or other factors within the scope of the following claims or equivalents thereof. There will be.
본 발명은 2011년 6월 14일자로 일본특허청에 특허출원된 일본특허원 제2011-132576호를 우선권으로 주장한다.The present invention claims priority to Japanese Patent Application No. 2011-132576 filed with the Japan Patent Office on June 14, 2011.
1 : 메모리 셀 어레이
5 : 세트 드라이버(구동 제어 회로)
51 : 전압 드라이버(전압 구동부)
52 : 전류 제어부
53 : 리셋부
55 : 초기 전류 구동부
60 : YSW부
8 : 전원 회로
11 : 세트 제어 회로
MC : 메모리 셀
Re : 가변 저항 소자(기억 소자)
AT : 액세스 트랜지스터
BL : 비트선
SL : 플레이트
WL : 워드선
Iw : 기록 전류(Iset : Set 전류, 소자 전류)1: Memory cell array
5: set driver (drive control circuit)
51: voltage driver (voltage driver)
52: current control
53: reset unit
55: initial current driving unit
60: YSW part
8: Power circuit
11: Set control circuit
MC: memory cell
Re: Variable resistance element (memory element)
AT: access transistor
BL: Bit line
SL: Plate
WL: Word line
Iw: Write current (Iset: Set current, device current)
Claims (10)
전압 공급층과,
상기 비트선과 상기 전압 공급층의 사이에 접속되고, 기억 소자로의 인가 전압에 응하여 저항치가 변화하는 기억 소자와,
상기 비트선에 제 1 전류를 흘리고, 그 후, 상기 제 1 전류보다 작은 제 2 전류를 상기 비트선에 흘려서, 상기 기억 소자를 고저항 상태로부터 저저항 상태로 천이시키는 저저항화를 상기 제 2 전류로 제어하는 구동 제어 회로를 구비하며,
상기 구동 제어 회로는,
상기 비트선에 접속되어 상기 제 1 전류를 흘리는 초기 전류 구동부와,
상기 비트선에 대해 상기 초기 전류 구동부와 병렬로 접속되어 상기 제 2 전류를 제어하는 소자 전류 제어부를 포함하고,
상기 초기 전류 구동부와 상기 소자 전류 제어부를 제어하여, 상기 비트선에 흘리는 전류를 상기 제 1 전류로부터 상기 제 2 전류로 전환하며,
상기 초기 전류 구동부는, 기준 전압의 공급선과 상기 비트선의 사이에 접속되는 제 1 트랜지스터를 가지며,
상기 소자 전류 제어부는, 상기 기준 전압의 공급선과 상기 비트선의 사이에 접속되는 제 2 트랜지스터를 구비하고,
상기 구동 제어 회로는,
상기 기준 전압의 공급선과 같은 전위로 상기 비트선을 초기 설정하는 제 3 트랜지스터와,
상기 제 3 트랜지스터와 반전 구동되어, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터를, 상기 초기 설정의 동안은 상기 비트선으로부터 절리하고, 상기 초기 설정 후에 상기 비트선에 접속하는 제 4 트랜지스터와,
상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 트랜지스터의 도통과 비도통을 제어하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.Bit line,
Voltage supply layer,
A memory element that is connected between the bit line and the voltage supply layer, and whose resistance value changes in response to an applied voltage to the memory element;
The first current is passed through the bit line, and thereafter, a second current smaller than the first current is passed through the bit line, thereby reducing the resistance of the memory element from a high resistance state to a low resistance state. It is provided with a drive control circuit to control the current,
The drive control circuit,
An initial current driver connected to the bit line and passing the first current;
And an element current control unit connected to the bit line in parallel with the initial current driving unit to control the second current,
By controlling the initial current driving unit and the device current control unit, the current flowing through the bit line is switched from the first current to the second current,
The initial current driver has a first transistor connected between a supply line of a reference voltage and the bit line,
The device current control unit includes a second transistor connected between the supply line of the reference voltage and the bit line,
The drive control circuit,
A third transistor for initially setting the bit line to the same potential as the supply line of the reference voltage;
A fourth transistor inverted driving with the third transistor to disconnect the first and second transistors from the bit line during the initial setting, and to connect to the bit line after the initial setting;
And a control circuit for controlling conduction and non-conduction of the first, second, third and fourth transistors.
상기 제 1 트랜지스터의 구동 능력이, 상기 제 2 트랜지스터의 구동 능력보다 큰 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.According to claim 1,
The resistance change type memory device, characterized in that the driving capability of the first transistor is greater than the driving capability of the second transistor.
상기 제 1 트랜지스터는, 상기 제 2 트랜지스터에 입력되고 상기 소자 전류를 제어할 때의 제어 펄스의 파고치보다 큰 파고치의 전압으로 구동되는 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.According to claim 1,
The first transistor is input to the second transistor, the resistance change type memory device, characterized in that driven by a voltage of a crest value larger than the crest value of the control pulse when controlling the element current.
상기 제 1 및 제 2 트랜지스터는, 기준 전압의 공급선과 상기 제 4 트랜지스터와의 사이에 병렬로 접속된 N형의 트랜지스터이고,
상기 비트선의 초기 설정의 전압이, 상기 기준 전압보다 높은 정전압이고,
상기 제 3 트랜지스터가 P형의 트랜지스터이고,
상기 제 4 트랜지스터가, 상기 제 3 트랜지스터와 동일한 신호로 제어된 N형의 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.According to claim 1,
The first and second transistors are N-type transistors connected in parallel between a supply line of a reference voltage and the fourth transistor,
The voltage of the initial setting of the bit line is a constant voltage higher than the reference voltage,
The third transistor is a P-type transistor,
And the fourth transistor is an N-type transistor controlled by the same signal as the third transistor.
상기 제 1 및 제 2 트랜지스터는, 기준 전압보다 높은 정전압의 공급선과 상기 제 4 트랜지스터와의 사이에 병렬로 접속된 P형의 트랜지스터이고,
상기 비트선의 초기 설정의 전압이, 상기 기준 전압이고,
상기 제 3 트랜지스터가 N형의 트랜지스터이고,
상기 제 4 트랜지스터가, 상기 제 3 트랜지스터와 동일한 신호로 제어되는 P형의 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.According to claim 1,
The first and second transistors are P-type transistors connected in parallel between a supply line of a constant voltage higher than a reference voltage and the fourth transistor,
The voltage of the initial setting of the bit line is the reference voltage,
The third transistor is an N-type transistor,
Wherein the fourth transistor is a P-type transistor controlled by the same signal as the third transistor.
상기 구동 제어 회로는,
상기 비트선에 접속되어 상기 제 1 전류 또는 상기 제 2 전류를 흘리는 전류 제어 트랜지스터와,
상기 전류 제어 트랜지스터의 제어 노드의 전위를 제어하여, 상기 전류 제어 트랜지스터가 흘리는 전류를, 상기 제 1 전류로부터 상기 제 2 전류로 전환하는 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스.According to claim 1,
The drive control circuit,
A current control transistor connected to the bit line and passing the first current or the second current;
And a control circuit that controls a potential of a control node of the current control transistor, and converts a current flowing through the current control transistor from the first current to the second current.
전압 공급층과,
상기 비트선과 상기 전압 공급층의 사이에 접속되고, 기억 소자로의 인가 전압에 응하여 저항치가 변화하는 기억 소자와,
상기 비트선에 제 1 전류를 흘리고, 그 후, 상기 제 1 전류보다 작은 제 2 전류를 상기 비트선에 흘려서, 상기 기억 소자를 고저항 상태로부터 저저항 상태로 천이시키는 저저항화를 상기 제 2 전류로 제어하는 구동 제어 회로를 구비하며,
상기 구동 제어 회로는,
상기 비트선에 접속되어 상기 제 1 전류를 흘리는 초기 전류 구동부와,
상기 비트선에 대해 상기 초기 전류 구동부와 병렬로 접속되어 상기 제 2 전류를 제어하는 소자 전류 제어부를 포함하고,
상기 초기 전류 구동부와 상기 소자 전류 제어부를 제어하여, 상기 비트선에 흘리는 전류를 상기 제 1 전류로부터 상기 제 2 전류로 전환하며,
상기 초기 전류 구동부는, 기준 전압의 공급선과 상기 비트선의 사이에 접속되는 제 1 트랜지스터를 가지며,
상기 소자 전류 제어부는, 상기 기준 전압의 공급선과 상기 비트선의 사이에 접속되는 제 2 트랜지스터를 구비하고,
상기 구동 제어 회로는,
상기 기준 전압의 공급선과 같은 전위로 상기 비트선을 초기 설정하는 제 3 트랜지스터와,
상기 제 3 트랜지스터와 반전 구동되어, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터를, 상기 초기 설정의 동안은 상기 비트선으로부터 절리하고, 상기 초기 설정 후에 상기 비트선에 접속하는 제 4 트랜지스터와,
상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 트랜지스터의 도통과 비도통을 제어하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항변화형 메모리 디바이스의 동작 방법.Bit line,
Voltage supply layer,
A memory element that is connected between the bit line and the voltage supply layer, and whose resistance value changes in response to an applied voltage to the memory element;
The first current is passed through the bit line, and thereafter, a second current smaller than the first current is passed through the bit line, thereby reducing the resistance of the memory element from a high resistance state to a low resistance state. It is provided with a drive control circuit to control the current,
The drive control circuit,
An initial current driver connected to the bit line and passing the first current;
And an element current control unit connected to the bit line in parallel with the initial current driving unit to control the second current,
By controlling the initial current driving unit and the device current control unit, the current flowing through the bit line is switched from the first current to the second current,
The initial current driver has a first transistor connected between a supply line of a reference voltage and the bit line,
The device current control unit includes a second transistor connected between the supply line of the reference voltage and the bit line,
The drive control circuit,
A third transistor for initially setting the bit line to the same potential as the supply line of the reference voltage;
A fourth transistor inverted driving with the third transistor to disconnect the first and second transistors from the bit line during the initial setting, and to connect to the bit line after the initial setting;
And a control circuit for controlling conduction and non-conduction of the first, second, third and fourth transistors.
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